專利名稱：一種用于水果采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于水果采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行
器。
背景技術(shù)：
具有高度自動(dòng)化的農(nóng)業(yè)機(jī)械以及更智能化的農(nóng)業(yè)機(jī)器人近年來發(fā)展迅速，在降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動(dòng)強(qiáng)度、緩解農(nóng)村勞動(dòng)力不足、降低農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)成本等方面起到了較大作用。在農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究開發(fā)中，末端執(zhí)行器是采摘機(jī)器人、嫁接機(jī)器人等農(nóng)業(yè)機(jī)器人的核心工作部件。農(nóng)業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器應(yīng)具有的最重要的功能，就是對(duì)作業(yè)對(duì)象的靈活處理。這里的作業(yè)指收獲、播種、移栽、整形、初加工、剪毛、擠奶在內(nèi)的所有以生物為對(duì)象的作業(yè)。為了使末端執(zhí)行器能夠進(jìn)行這種柔性作業(yè)，首先需要把握作業(yè)對(duì)象的特點(diǎn)，包括對(duì)象物體的尺寸、質(zhì)量、形狀等基礎(chǔ)物理特性，壓縮特性、摩擦特性、切斷特性等力學(xué)特性；另外，把握生物生長狀況也是設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器不可缺少的要素。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器往往以調(diào)查得到的作業(yè)對(duì)象的相關(guān)特性為基礎(chǔ)，為適應(yīng)對(duì)象個(gè)體間的差異，預(yù)先設(shè)定夾持力、吸附力等參數(shù)之后進(jìn)行作業(yè)，末端執(zhí)行器上多半具有可吸收生物個(gè)體差異的機(jī)構(gòu)。末端執(zhí)行器的功能相當(dāng)于人的手，一般安裝在機(jī)械臂的前端執(zhí)行各種作業(yè)，其定義為“機(jī)器人具有的可以直接作用于作業(yè)對(duì)象的部分(如夾持部、螺母緊固裝置、焊槍、噴漆槍)”。通常對(duì)帶有幾個(gè)手指的稱作為機(jī)械手，對(duì)只包含噴嘴或吸盤等簡(jiǎn)單構(gòu)造、安裝在機(jī)械臂的前端進(jìn)行作業(yè)的稱作末端執(zhí)行器。農(nóng)業(yè)機(jī)器人是否需要配備類似人手一樣的末端執(zhí)行器呢？更多學(xué)者和研究人員認(rèn)為沒有必要，因?yàn)殡m然有靈活的手指可以進(jìn)行各種作業(yè)，但需要有驅(qū)動(dòng)各個(gè)關(guān)節(jié)的傳動(dòng)裝置以及檢測(cè)關(guān)節(jié)角度的傳感器，這會(huì)使末端執(zhí)行器的構(gòu)造和控制算法變得非常復(fù)雜。在各種農(nóng)業(yè)機(jī)器人中，與采用通用的末端執(zhí)行器相比，對(duì)應(yīng)各種作業(yè)選用專門的末端執(zhí)行器可以大幅度減少成本、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)和方便控制。與人手采用工具進(jìn)行作業(yè)類似，農(nóng)業(yè)機(jī)器人是在末端執(zhí)行器上安裝工具后進(jìn)行作業(yè)。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器的作業(yè)對(duì)象是果實(shí)、家畜等離散個(gè)體。由于作業(yè)對(duì)象的基本生理特征和力學(xué)特征等不同，末端執(zhí)行器的差別也會(huì)很大。制作末端執(zhí)行器時(shí)，需要在充分把握物體物理性質(zhì)的基礎(chǔ)上，探討達(dá)成作業(yè)目的的機(jī)理，不需要模仿人使用兩手進(jìn)行作業(yè)，只要能獲得良好效果，即使使用完全不同的辦法也是可以的。目前對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究多處于實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)階段，沒有得到實(shí)際應(yīng)用。這成為制約農(nóng)業(yè)機(jī)器人進(jìn)一步研究應(yīng)用的瓶頸問題。造成這種現(xiàn)象的原因之一是農(nóng)業(yè)機(jī)器人的智能化和可靠性等不能滿足需要，另外一個(gè)重要原因就是價(jià)格昂貴，性價(jià)比較低。因此，在提高農(nóng)業(yè)機(jī)器人智能化、可靠性的同時(shí)，降低制造成本也是突破農(nóng)業(yè)機(jī)器人現(xiàn)實(shí)應(yīng)用瓶頸的重要努力方向。
目前，國內(nèi)外有些關(guān) 于農(nóng)業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的研究報(bào)道，例如國外有研究人員研制了用于葡萄收獲的機(jī)器手，還有研究人員研制了用于番茄收獲的多指機(jī)械手，國內(nèi)本領(lǐng)域技術(shù)人員研究了氣動(dòng)裝置的柔性機(jī)械手，進(jìn)行水果采摘。上述用于農(nóng)業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器有其專用性，同時(shí)有一定的局限性。例如，多指機(jī)械手成本高昂，機(jī)構(gòu)復(fù)雜；柔性機(jī)械手采用柔性管作為氣動(dòng)裝置的動(dòng)力源，作業(yè)時(shí)柔性管暴露在作業(yè)環(huán)境中，在采摘時(shí)容易被樹枝等硬物損壞。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何提供一種用于水果采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器，以簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、低廉的成本，安全可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)水果的采摘作業(yè)。(二)技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種用于水果采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器，其包括套筒單元和氣囊單元；所述套筒單元為前后端開口的筒狀結(jié)構(gòu)；所述氣囊單元設(shè)置在所述套筒單元的內(nèi)部，利用自身的充放氣過程實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)的米摘。優(yōu)選地，所述套筒單元的前端設(shè)置有多個(gè)條形空隙。優(yōu)選地，所述套筒單元的前端在相鄰所述條形空隙之間的部分呈圓弧狀。優(yōu)選地，所述套筒單元的后端設(shè)置有用于與采摘機(jī)器人的機(jī)械臂相連接的硬凸起，所述硬凸起上設(shè)置有安裝孔。優(yōu)選地，所述套筒單元的前端和后端均設(shè)置有用于與所述氣囊相連接的對(duì)孔。優(yōu)選地，所述氣囊單元包括乳膠管和棉布袋；所述乳膠管的第一端設(shè)置在所述棉布袋的內(nèi)部，第二端從所述棉布袋的后端伸出后連接氣栗；所述棉布袋圍成與所述套筒單元相匹配的筒狀。優(yōu)選地，所述氣囊單元包括三個(gè)所述乳膠管，并且三個(gè)所述乳膠管的第二端通過一個(gè)三通接頭連接所述氣泵。優(yōu)選地，所述棉布袋的展開面的第一端和第二端設(shè)置有粘結(jié)扣，所述棉布袋通過所述粘結(jié)扣連接所述展開面的第一端和第二端后圍成筒狀。優(yōu)選地，所述棉布袋包括內(nèi)層棉布和外層棉布；所述乳膠管的第一端設(shè)置在所述內(nèi)層棉布和所述外層棉布之間。優(yōu)選地，所述棉布袋的前端和后端均設(shè)置有用于與所述套筒單元相連接的連接線。(三)有益效果本發(fā)明實(shí)施例所述用于水果采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器，主要包括套筒單元和氣囊單元，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，并且在使用過程中其自身既不會(huì)劃傷果實(shí)，也不會(huì)被果樹劃傷，可以安全可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)水果的采摘作業(yè)，具有廣泛的應(yīng)用前景。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例所述套筒單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例所述氣囊單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明實(shí)施例所述用于水果采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器包括套筒 單元和氣囊單元。所述套筒單元為前后端開口的筒狀結(jié)構(gòu)；所述氣囊單元設(shè)置在所述套筒單元的內(nèi)部，利用自身的充放氣過程實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)的采摘。圖I是本發(fā)明實(shí)施例所述套筒單元的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖I所示,所述套筒單元的外徑D為180mm，前端(即圖I中套筒單元的左端)至后端的距離(即套筒單元長度)N為200_，筒壁厚度為5_。所述套筒單元的前端等間隔設(shè)置有10個(gè)條形空隙110，相鄰所述條形空隙Iio之間的圓周距離為55. 5mm。所述條形空隙110的寬度L為5mm,深度M為60mm。所述套筒單元的前端在相鄰所述條形空隙之間的部分為圓弧狀結(jié)構(gòu)120，所述圓弧狀結(jié)構(gòu)120的邊緣經(jīng)過圓滑處理后呈圓弧狀。優(yōu)選地所述圓弧狀結(jié)構(gòu)120為半徑R等于35mm的半圓形。在其中三個(gè)圓弧狀結(jié)構(gòu)120上設(shè)置有用于與所述氣囊單元相連接的3組對(duì)孔130 ；所述套筒單元的后端對(duì)稱設(shè)置有兩組所述對(duì)孔130。所述套筒單元的后端還設(shè)置有用于與采摘機(jī)器人的機(jī)械臂相連接的硬凸起140，所述硬凸起140上設(shè)置有安裝孔141。所述套筒單元采用結(jié)實(shí)耐用的硬質(zhì)材料，優(yōu)選采用金屬材料。圖2是本發(fā)明實(shí)施例所述氣囊單元的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示,所述氣囊單元包括棉布袋210、三個(gè)乳膠管220、三通接頭230、粘結(jié)扣240、連接線250。參見圖2，所述棉布袋210采用內(nèi)層棉布和外層棉布縫合而成。三個(gè)所述乳膠管220的第一端均勻布設(shè)在所述內(nèi)層棉布和所述外層棉布之間，第二端從所述棉布袋的后端伸出后連接所述三通接頭230，所述三通接頭230連接氣泵(圖2中未示出)。所述乳膠管的直徑為IOmm,壁厚為I. 5 2mm。實(shí)際應(yīng)用中，所述乳膠管220位于所述套筒單元以及機(jī)械臂內(nèi)部，不會(huì)被果樹劃傷。所述棉布袋210的展開面的第一端和第二端設(shè)置有所述粘結(jié)扣240，所述棉布袋210通過所述粘結(jié)扣240連接所述展開面的第一端和第二端后圍成筒狀。所述棉布袋210所圍成的筒狀的外徑略小于所述套筒單元的內(nèi)徑。通過所述粘結(jié)扣240可以對(duì)所述棉布袋210所圍成的筒狀的外徑進(jìn)行微調(diào)，以匹配所述套筒單元。所述棉布袋210的前端均勻設(shè)置有三個(gè)軟凸起211，所述軟凸起211的尺寸略小于所述圓弧狀結(jié)構(gòu)120的尺寸。在所述軟凸起211上，以及所述棉布袋210的后端設(shè)置有5個(gè)所述連接線250。通過將所述連接線250與所述對(duì)孔130相連接，可以實(shí)現(xiàn)將所述氣囊單元設(shè)置在所述套筒單元的內(nèi)部。本發(fā)明實(shí)施例所述用于水果采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)蘋果、梨、桃子等多種水果的采摘。下面僅以在蘋果采摘機(jī)器人上應(yīng)用本發(fā)明所述末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)蘋果采摘的過程為例說明其工作過程(I)機(jī)器人通過視覺部分定位果實(shí)的位置，然后通過機(jī)械臂將所述末端執(zhí)行器移動(dòng)到蘋果果實(shí)所在位置，所述末端執(zhí)行器的移動(dòng)方向?yàn)槭紫纫苿?dòng)到果實(shí)所在水平面，保證所述末端執(zhí)行器的套筒單元的孔徑中心和果實(shí)中心在同一水平面，然后調(diào)節(jié)機(jī)械臂和末端執(zhí)行器的角度，使所述末端執(zhí)行器的前端對(duì)準(zhǔn)果實(shí)，接著水平移動(dòng)所述末端執(zhí)行器，在接觸到蘋果果實(shí)的時(shí)候，果實(shí)的果柄部分會(huì)逐漸滑入所述套筒單元的條形空隙1io中，同時(shí)果實(shí)進(jìn)入末端執(zhí)行器；(2)當(dāng)果實(shí)的中心位置進(jìn)入所述末端執(zhí)行器約50 60mm時(shí)，采摘機(jī)器人上的氣泵開始通過所述三通接口 230給所述乳膠管220充氣，所述氣囊單元的所述乳膠管220通氣膨脹，夾緊果實(shí)，機(jī)器人通過機(jī)械臂移動(dòng)所述末端執(zhí)行器，扭斷果柄；(3)當(dāng)所述末端執(zhí)行器移動(dòng)到適當(dāng)位置時(shí)(果實(shí)存放位置)，機(jī)器人的放氣閥放氣，所述乳膠管220中氣壓下降，所述乳膠管220體積縮小，所述末端執(zhí)行器對(duì)果實(shí)的夾持力消失，果實(shí)放入存放位置，完成采摘作業(yè)。本發(fā)明實(shí)施例所述用于水果采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器，主要包括套筒單元和氣囊單元，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，并且在使用過程中其自身既不會(huì)劃傷果實(shí)，也不會(huì)被果樹劃傷，可以安全可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)水果的采摘作業(yè)，具有廣泛的應(yīng)用前景。以上實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對(duì)本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種用于水果采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器，其特征在于，包括套筒單元和氣囊單元；所述套筒單元為前后端開口的筒狀結(jié)構(gòu)；所述氣囊單元設(shè)置在所述套筒單元的內(nèi)部，利用自身的充放氣過程實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)的采摘。
2.如權(quán)利要求I所述的末端執(zhí)行器，其特征在于，所述套筒單元的前端設(shè)置有多個(gè)條形空隙。
3.如權(quán)利要求2所述的末端執(zhí)行器，其特征在于，所述套筒單元的前端在相鄰所述條形空隙之間的部分呈圓弧狀。
4.如權(quán)利要求I所述的末端執(zhí)行器，其特征在于，所述套筒單元的后端設(shè)置有用于與采摘機(jī)器人的機(jī)械臂相連接的硬凸起，所述硬凸起上設(shè)置有安裝孔。
5.如權(quán)利要求I所述的末端執(zhí)行器，其特征在于，所述套筒單元的前端和后端均設(shè)置有用于與所述氣囊相連接的對(duì)孔。
6.如權(quán)利要求I所述的末端執(zhí)行器，其特征在于，所述氣囊單元包括乳膠管和棉布袋；所述乳膠管的第一端設(shè)置在所述棉布袋的內(nèi)部，第二端從所述棉布袋的后端伸出后連接氣泵；所述棉布袋圍成與所述套筒單元相匹配的筒狀。
7.如權(quán)利要求6所述的末端執(zhí)行器，其特征在于，所述氣囊單元包括三個(gè)所述乳膠管，并且三個(gè)所述乳膠管的第二端通過一個(gè)三通接頭連接所述氣泵。
8.如權(quán)利要求6所述的末端執(zhí)行器，其特征在于，所述棉布袋的展開面的第一端和第二端設(shè)置有粘結(jié)扣，所述棉布袋通過所述粘結(jié)扣連接所述展開面的第一端和第二端后圍成筒狀。
9.如權(quán)利要求6所述的末端執(zhí)行器,其特征在于,所述棉布袋包括內(nèi)層棉布和外層棉布；所述乳膠管的第一端設(shè)置在所述內(nèi)層棉布和所述外層棉布之間。
10.如權(quán)利要求6所述的末端執(zhí)行器，其特征在于，所述棉布袋的前端和后端均設(shè)置有用于與所述套筒單元相連接的連接線。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于水果采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器，涉及機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域。所述末端執(zhí)行器包括套筒單元和氣囊單元；所述套筒單元為前后端開口的筒狀結(jié)構(gòu)；所述氣囊單元設(shè)置在所述套筒單元的內(nèi)部，利用自身的充放氣過程實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)的采摘。所述用于水果采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器，主要包括套筒單元和氣囊單元，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，并且在使用過程中其自身既不會(huì)劃傷果實(shí)，也不會(huì)被果樹劃傷，可以安全可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)水果的采摘作業(yè)，具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)A01D46/00GK102612925SQ201210101389
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月31日
發(fā)明者任雯, 馮娟, 劉剛, 司永勝 申請(qǐng)人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)